Die Erfindung betrifft eine mehrstufige Pumpturbine insbesondere für Speicherkraftwerke, mit in Stromrichtung aufeinanderfolgenden Stufen, deren Laufräder auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, weiter mit Verbindungsleitungen zum Führen des Betriebsmediums durch die einzelnen Stufen und mit einer Umgehungsleitung für eine Stufe, mit einem verstellbaren Absperrorgan für das Umschalten des Betriebsmediumstromes durch die eine Stufe oder durch die Umgehungsleitung.
Eine solche Pumpturbine ist z. B. aus der schweizerischen Patentschrift Nr. 416 502 bekannt. Bei dieser Pumpturbine wird der Erkenntnis Rechnung getragen, dass eine Pumpturbine während ihrer Anwendung als Turbine nicht denselben Wirkungsgrad erreicht, wie als Pumpe, wozu den im Pumpenbetrieb je nach der gegebenen Auslegung eines solchen Aggregates, z. B. eine Pumpenstufe mehr nötig ist. Bei den bekannten aus Pumpen und Pumpturbinen zusammengesetzten Maschinengruppen dieser Art nimmt die Anlage viel Bauraum in Anspruch und ihr Gesamtwirkungsgrad wird durch die Energieverluste in den langen Verbindungsleitungen bzw. in den Absperrorganen herabgesetzt.
Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, an solchen Anlagen einen besseren Wirkungsgrad unter gleichzeitiger Herabsetzung des bisher nötigen Bauraumes zu erzielen.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs beschriebenen Pumpturbine erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass alle Stufen, die Verbindungsleitungen sowie die Umgehungsleitungen mit Absperrogan in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, vorzugsweise so, dass die Verbindungsleitungen und die Umgehungsleitung als im Axialschnitt U-förmige, in einem zur Welle koaxialen Ringraum liegende Kanäle und das Absperrorgan als zur Welle koaxialer Ringschieber mit Stellmitteln zum axialen Verschieben des Abschlusskörpers des Ringschiebers in die eine oder andere Schaltstellung ausgeführt sind.
Weiter ist es von Vorteil, wenn das Querprofil des Abschlusskörpers des Ringschiebers sichelförmig und zwar auf die An ausgeführt ist, dass sowohl in der einen als auch in der anderen Schaltstellung des Abschlusskörpers jeweils seine dem das Betriebsmedium führenden Kanal zugewandte Wand das Profil des Kanals ergänzt.
Das Verschieben des Abschlusskörpers wird erleichtert, wenn Führungsmittel vorhanden sind, welche den Abschlusskörper während des Verschiebens koaxial zur Welle halten, vorzugsweise dadurch, dass die Führungsmittel Bolzen am Abschlusskörper sind, welche in helicoidale Schlitze des Gehäuses eingreifen.
Eine vorteilhafte Anlage mit nur einem Ringschieber wird erreicht, wenn die die Umgehungsleitung aufweisende Stufe die unterwasserseitige Stufe ist, und die Umgehungsleitung eine Ableitung ist, welche das Betriebsmedium, diese Stufe auslassend, ins Unterwasser wegführt.
Eine vorteilhafte Lösung des Ein- oder Ausschaltens der einen Stufe wird erreicht, wenn die zwischen der Welle und dem Laufrad der die Umgehungsleitung aufweisenden Stufe vorhandene Kupplung als schaltbare Zahnkupplung ausgeführt ist mit einem auf der Welle axial-verschiebbar aber unverdrehbar gelagerte Zahnring, für dessen Zähne Ausnehmungen im Laufrad vorgesehen sind, wobei Mittel vorhanden sind zum Verschieben des Zahnringes zwecks Ein- oder Auskuppelns.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung im weiteren näher beschrieben und erklärt: Es zeigen, je in einem axialen Längsschnitt:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung geschaltet für Turbinenbetrieb, bei dem eine Stufe ausgeschaltet ist,
Fig. 2 dasselbe Ausführungsbeispiel wie Fig. 1, jedoch geschaltet für Pumpenbetrieb, bei dem diese eine Stufe eingeschaltet ist.
Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel in Schaltstellung für Pumpenbetrieb,
Fig. 4 dasselbe Ausführungsbeispiel wie Fig. 3 jedoch in der anderen Schaltstellung, nämlich für Turbinenbetrieb,
Das erste Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 ist eine dreistufige Pumpturbine für ein Speicherkraftwerk. Sie weist drei in Stromrichtung aufeinanderfolgende Stufen mit Laufrädern 1, 2 und 3 auf, die auf einer gemeinsamen Welle 4 angeordnet sind. Die Welle 4 ist mit einem nicht gezeigten Motorgenerator verbunden und steht vertikal im Raum. Es wäre aber auch möglich, die erfindungsgemässe Pumpturbine horizontal zu orientieren.
Um die Pumpturbine einmal für Pumpenbetrieb ein anderesmal für Turbinenbetrieb schalten zu können, sind Verbindungsleitungen zum Führen des Betriebsmediums durch die einzelnen Stufen, eine Umgehungsleitung für eine Stufe und ein verstellbares Absperrorgan für das Umschalten des Betriebsmediumstromes durch die eine Stufe oder durch die Umgehungsleitung vorgesehen.
Das Betriebsmedium strömt im Turbinenbetrieb (in Fig. 1) gezeigt) von einem Oberwasserspiralgehäuse 5 zu einem Unterwasserspiralgehäuse 6 und im Pumpenbetrieb (in Fig. 2 gezeigt) vom Unterwasserspiralgehäuse 6 zum Oberwasserspiralgehäuse 5. Die Stromrichtung während des Turbinenbetriebes ist in Fig. 1 mittels eines Pfeiles T und diejenige während des Pumpbetriebes in Fig. 2 mittels eines Pfeiles P angedeutet.
Ein verstellbares Absperrorgan ist für das Führen des Betriebsmediums entweder durch die eine Stufe und zwar, in diesem Ausführungsbeispiel, durch die Stufe mit dem Laufrad 2, oder durch die Umgehungsleitung 11 zum Turbinen- oder Pumpenbetrieb, angebracht.
Als eine schaltbare Kupplung mit einem Zahnring ist die Kupplung zwischen der Welle i und dem in der ein- oder ausschaltbaren Stufe angeordneten Laufrad 2 ausgeführt.
Während des Turbinenbetriebes ist das Laufrad 2 auch bezüglich der Welle 4 ausgekuppelt. Diese Schaltstellung des Zahnrings 7, wobei nur die Stufen mit den Laufrädern 1 und 3 arbeiten, ist in Fig. 1 gezeigt. Im Pumpenbetrieb ist das Laufrad 2 bezüglich der Welle 4 eingekuppelt, alle drei Stufen mit den Laufrädern 1, 2 und 3 arbeiten jetzt. Diese Schaltstellung des Zahnringes 7 zeigt die Fig. 2.
Alle Stufen der Pumpturbine mit den Laufrädern 1, 2 und 3 sowie die Verbindungsleitungen, die Umgehungsleitung und das Absperrorgan sind in einem gemeinsamen Gehäuse zusam mengefasst. Dieses gemeinsame Gehäuse ist mit 8 bezeichnet.
Die Verbindungsleitungen und die Umgehungsleitung sind je als im Axialschnitt U-förmige, in einem zur Welle 4 koaxia len Ringraum liegende Kanäle ausgeführt. Sie weisen, wie üblich bei Strömungsmaschinen verstellbare Leitschaufeln 9 oder feste Leitschaufeln 10 auf.
Zwischen der Stufe mit dem Laufrad 1 und der übernäch sten Stufe mit dem Laufrad 3 ist eine Umgehungsleitung 11 vorgesehen, und zwar zum Umleiten des Betriebsmediums um die Stufe mit dem Laufrad 2, welche im Turbinenbetrieb ausgelassen wird. Diese Stufe mit dem Laufrad 2, welche nur im Pumpenbetrieb eingeschaltet wird, ist nur als Pumpe ausge führt.
Das Absperrorgan ist als zur Welle 4 koaxialer Ringschieber mit Abschlusskörpern 12 ausgeführt. Es sind bekannte hydrau lische Stellmittel vorgesehen zum axialen Verschieben der
Abschlusskörper 12 des Ringschiebers, in die eine, in Fig. 1 gezeigte, oder in die andere, in Fig. 2 gezeigte Schaltstellung.
Ein in dem Gehäuse zwischen den Abschlusskörpern 12 frei gelassener Raum 13 ist als hydraulische Druckkammer ausge führt. Die Ringwände des Raumes 13 sind auch zum Führen der Abschlusskörper 12 während des Verschiebens vorgesehen.
Als Stellmittel können auch mehrere, auf die Abschlusskörper 12 wirkende Einzelstellmotoren angewendet werden. Es wären auch mechanische Stellmittel zum Verschieben der Abschlusskörper 12 des Ringschiebers anwendbar.
Sind die beiden Abschlusskörper 12, wie in Fig. 1, zueinandergezogen, ist die Umgehungsleitung 11 geöffnet und dadurch die Stufe mit dem Laufrad 2 betriebsmediumseitig ausgeschaltet. In Fig. 2 sind die beiden Abschlusskörper 12 voneinander weggeschoben; dadurch ist die Umgehungsleitung 11 gesperrt und die Stufe mit dem Laufrad 2 betriebsmediumseitig eingeschaltet.
Das Querprofil der Abschlusskörper 12 it sichelförmig und so ausgeführt, dass sowohl in der einen wie auch in der anderen Schaltstellung der Abschlusskörper 12 jeweils seine dem das Betriebsmedium führenden Kanal zugewandte Wand das Profil dieses Kanals ergänzt. In der Schaltstellung gemäss Fig. 1 führt die Umgehungsleitung 11 das Betriebsmedium und die der Welle 4 abgewandten Wände der Abschlusskörper 12 ergänzen das Profil der Umgehungsleitung 11. In der Schaltstellung gemäss Fig. 2 sind es die der Welle 4 zugewandten Wände der Abschlusskörper 12, welche das Profil der zur Stufe mit dem Laufrad 2 führenden Kanäle ergänzen.
Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 und 4 ist es die unterwasserseitige Stufe mit dem Laufrad 3, welche ein- oder ausschaltbar ist. Im Turbinenbetrieb sind die aufeinanderfolgenden oberwasserseitigen Stufen mit den Laufrädern 1 und 2 eingeschaltet. Eine Ableitung 14 ist zwischen den Stufen mit den Laufrädern 2 und 3 eingesetzt und führt das Betriebsmedium, die Stufe mit dem Laufrad 3 auslassend, ins Unterwasser weg.
Dabei ist an dieser Maschine nur ein einziger ringförmiger Abschlusskörper des Ringschiebers zum Ein- bzw. Ausschalten der unterwasserseitigen Stufe mit dem Laufrad 3 nötig. Diese nur zum Pumpenbetrieb einzuschaltende Stufe ist nur als Pumpe ausgeführt.
Die Ausführung, Lagerung und die Stellmittel dieses Ringschiebers sind analog dem Ringschieber der anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Pumpturbine. Eine Druckkammer 13 ist mittels Öffnungen 15 im Gehäuse 8 mit einem nicht gezeigten hydraulischen Stellsystem verbunden.
Ist der Abschlusskörper 12 in der einen Schaltstellung, wie es 3 zeigt, arbeitet die Maschine als Pumpe. Die Druckkammer 13 ist mit Druckflüssigkeit gefüllt und die unterwasserseitige Stufe mit dem Laufrad 3 betriebsmediumseitig eingeschaltet.
In der in der Fig. 4 gezeigten Schaltstellung des Abschlusskörpers 12 arbeitet die Maschine als Turbine. Die Druckkammer 13 ist entleert, der Abschlusskörper 12 in diese hineingezogen und die Stufe mit dem Laufrad 3 betriebsmediumseitig ausgeschaltet. Das Betriebsmedium verlässt die Maschine, diese unterwasserseitige Stufe auslassend, durch die Ableitung 14.
Um den Abschlusskörper 12 während des Verschiebens koaxial zur Welle 4 zu halten, nämlich um dessen Verkanten zu vermeiden, ist dieser mit Bolzen 16 versehen, welche in helicoidale Schlitze 15 eingreifen.
Um das Laufrad 2 (in 1 und 2) bzw. das Laufrad 3 (in Fig. 3 und 4) in der ein- oder ausschaltbaren Stufe auch bezüglich der Welle 4 ein- oder ausschalten zu können, ist je eine Zahhnkupplung mit einem Zahnring 7 vorgesehen. Der Zahnring 7 ist an der Welle 4 unverdrehbar, aber axialverschiebbar gelagert. Das Laufrad 2 bzw. 3 ist an der Welle drehbar gelagert.
Die Zähne des Zahnringes 7 passen in die in dem jeweils ein- oder ausschaltbaren Laufrad 2 bzw. 3 ausgeführten Ausnehmungen 18. Es sind bekannte hydraulische Mittel vorgesehen zum Verschieben des Zahnringes 7 zwecks Ein- bzw.
Auskuppelns des Laufrads 2 bzw. 3. Die nicht gezeigten Verbindungsleitungen eines Stellsystems sind durch die Welle geführt. Es wäre auch eine mechanische Einrichtung zumVer schieben des Zahnringes 7 möglich.
Ist die Maschine für Pumpenbetrieb geschaltet, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, ist das Laufrad 2 bzw. 3 eingekuppelt und dreht sich mit der Welle 4.
Ist die Maschine für Turbinenbetrieb geschaltet, wie in Fig. 1 und 4 gezeigt, ist das Laufrad 2 bzw. 3 ausgekuppelt.